Механизм действия ферментов

Общая схема катализа (E — фермент, S — субстрат, P — продукт, ES — фермент-субстратный комплекс):

Четыре этапа ферментативного катализа:

1. сближение и ориентация субстрата в области активного центра;
2. образование фермент-субстратного комплекса (ES) в результате индуцированного соответствия — изменения конформации субстрата и активного центра;
3. дестабилизация связей субстрата и образование нестабильного комплекса фермент-продукт (EP);
4. распад комплекса EP с высвобождением продуктов из активного центра и освобождением фермента.

Энергия активации (Ea) — дополнительная энергия, которую должны получить молекулы субстрата, чтобы вступить в реакцию. Фермент снижает энергию активации — доля реакционноспособных молекул растёт, скорость реакции повышается.

Чего фермент не меняет:

• положение химического равновесия (ускоряет прямую и обратную реакции одинаково);
• общую энергию системы и энергетический итог реакции;
• сам он в реакции не расходуется: одна молекула фермента превращает 100–1000 молекул субстрата в секунду.

Теория Э. Фишера («замок и ключ», конец XIX века): пространственное строение фермента и субстрата заранее соответствуют друг другу, как замок и ключ. Объясняет специфичность.

Теория Д. Кошланда (индуцированное соответствие, середина XX века): контакт фермента и субстрата возникает после изменения их пространственного строения под влиянием друг друга — активный центр достраивается под субстрат в момент связывания.

Специфичность катализа определяется строением активного центра: субстратный участок отвечает за узнавание, каталитический — за путь превращения (подробно — в уроке «Химическая природа и свойства ферментов»).

Особенности ферментативного катализа (обусловлены белковой природой фермента):

• высокая специфичность;
• высокие скорости реакций (10⁸–10¹⁴);
• возможность регуляции скорости;
• физиологические условия катализа (36–38 °C, pH 6,9–7,7).

Механизмы коферментов в активном центре:

• НАД⁺/НАДФ⁺ — принимают H⁺ и два электрона при окислении субстрата (второй H⁺ уходит в среду);
• ФАД/ФМН — принимают оба протона и оба электрона (ФАДН₂);
• пиридоксальфосфат — переносит аминогруппы (⇄ пиридоксаминофосфат), в лиазах — отщепляет CO₂;
• ТПФ — декарбоксилирование α-кетокислот;
• биотин — карбоксилирование с затратой АТФ;
• KoA — активация и перенос ацильных групп (ацетил-KoA).

Ионы металлов в катализе: Zn²⁺, Mn²⁺, Cu²⁺ — электрофильный катализ; Fe²⁺ ⇄ Fe³⁺ в цитохромах — перенос электронов; Mg²⁺–АТФ — истинный субстрат киназ.